Вимірювання рівнем: види, способи та методи

Вимірювання рівнем: види, способи та методи

На багатьох виробництвах в якості технологічних середовищ використовують рідинні та сипучі матеріали. У режимах поточного виготовлення продукції і особливо з автоматичними органами управління потрібен постійний контроль параметрів робочих матеріалів. Найбільш поширеним засобом такого контролю є вимірювання рівнем, у процесі якого відстежується ступінь наповнення того чи іншого ємнісного обладнання.

Реалізація технології

Під рівнем у даному випадку розуміється висота заповнення технологічної установки (бака, резервуара, цистерни, поршня) робочим середовищем. Саме по собі знання цієї величини необхідне для управління і контролю виробничого процесу. Зокрема, такі заміри є необхідною операцією в хімічній, нафтопереробній та харчовій промисловості. Знаючи рівень наповнення ємності для збору очищеної нафти, наприклад, оператор може задати оптимальні параметри для роботи перекачувальної насосної станції. І знову ж таки, багато виробництва працюють на автоматиці, тому вихідні дані можуть оброблятися контролерами, які навіть без участі оператора подають команди виконавчим агрегатам з урахуванням отриманих відомостей про рівень наповнення контрольованого апарату. Залежно від конкретної технологічної операції і вимог до обліку, можуть змінюватися різні одиниці виміру рівня - наприклад, існують методи з широким діапазоном заміру від 0,5 до 20 м, а також спеціалізовані лабораторні схеми контролю, при яких враховується вузький спектр від 0 до 500 мм. Безпосередній замір здійснюють фізичні, електромагнітні та ультразвукові апарати, деякі з яких також фіксують і властивості середовища - хімічний склад, тиск, температуру тощо.

Візуальні способи контролю

Найпростіший спосіб вирішення завдання, за якого достатньо використовувати стандартний мірний інструмент. Застосовуються рулетки, лінійки, оглядові шибки та інші пристосування, які в принципі можна використовувати в заданих умовах конкретної виробничої обстановки. Найбільш технологічним засобом вимірювання рівнем даного типу є виносний або байпасний покажчик. Його встановлюють у бічній частині ємності за допомогою різьбових, фланцевих або зварних сполук. Процес індикації забезпечується за допомогою прозорої трубки, яка наповнюється в міру підвищення рівня рідини в цільовому резервуарі. У більш сучасних байпасах використовуються циліндричні поплавки з магнітною системою показань. Але і така конструкція вважається морально застарілою через суттєві обмеження в комунікаційних можливостях сполучення з керуючою електронікою і засобами автоматизації.

Поплавковий спосіб вимірювання

Теж один з найпростіших традиційних способів контролю рівня наповнення рідинними середовищами. Він заснований на фіксації положення поплавка на самій поверхні рідини, що обслуговується. Контроль здійснюється за різними принципами - механічним, магнітним і магнітострикційним. У процесі переміщення змінюється характер зв 'язку поплавка з контролюючим його елементом - наприклад, жорстко зафіксованим важелем. Кут кріплення змінюється при підйомі поплавка, що і фіксується системою заміру. Зазвичай вимірювання рівнем даного типу відбувається в процесі перетворення того ж кута в електричний сигнал. Найчастіше йдеться навіть не про врахування конкретних свідчень, а про реєстрацію моменту досягнення конкретної величини. Іншими словами, коли поплавок досягає встановленого рівня висоти, активізується сигналізатор рівня. У найпростіших схемах відбувається замикання контактів, що призводить до певних технологічних дій - наприклад, зупиняється функція перекачувального рідина насоса.

Гідростатичні вимірювання робочих середовищ

Ключовим фактором заміру в даній системі рівнемера виступає гідростатичний тиск. Тобто застосовується манометр з підходящими характеристиками і занурюваним датчиком тиску. Причому важливою умовою контролю є відокремлення датчика від робочого середовища спеціальною мембраною з одного боку, а з іншого повинна забезпечуватися подача атмосферного тиску через капілярну підводку від наповнювача. У процесі вимірювання рівнем цього типу відбувається контроль надлишкового тиску, показник якого впливає на характеристики генерації уніфікованого сигналу. Також до манометра підключається електроприлад з перетворювачем, який відповідає за оповіщення про ті чи інші зміни, що відбулися в підконтрольному середовищі. Як альтернативу цьому способу вимірювання гідростатичного тиску можна привести контроль тиску газу, який закачується в аналог капілярної трубки з боку рідини, що наповнює резервуар. Ця модель роботи гідростатичного манометра називається п 'єзометричною.

Радарні засоби вимірювання рівня

На деяких виробництвах застосовується універсальний підхід до вимірювання висотних рівнів наповнення технологічними середовищами. Для роботи з рідинами, газами та сипучими матеріалами оптимально підходить радарна апаратура, дія якої базується на аналізі частотно-модульованих коливань. Вимірюванню піддається час поширення і повернення незатухаючих коливань від спеціальних антен до обслуговуваного середовища. Хвильові діапазони можуть варіюватися від одного до десятків ГГц. Самі приймально-передавальні антени можуть мати різний пристрій і характеристики випромінювання. Для вимірювання рівня рідин на хімічних виробництвах, наприклад, застосовують стрижневі антени з висотним діапазоном заміру до 20 м. Для середовищ, до контролю яких пред 'являються підвищені вимоги в показниках точності, використовують параболічні і планарні пристрої. Зазвичай це сфери технічного обліку, де важлива фіксація вимірювань аж до 1 мм.

Застосування радіоізотопних методів

Основною спеціалізацією даного виду рівнемірів є контроль сипучих матеріалів і рідинних середовищ в закритих резервуарах. Принцип роботи радіоізотопного апарату заснований на поглинанні гамма-променів, які проходять по шару цільового середовища. Технічно процес вимірювання організовується із застосуванням джерела випромінювання і приймача. Два пристрої підвішуються або встановлюються на несучій конструкції і управляються реверсивним електродвигуном, який змінює їх позицію по висоті в залежності від поточного рівня наповнення. Якщо система вимірювання рівня робочого середовища знаходиться вище її поверхні, то випромінювання від приймального сигналу буде сильним, оскільки на його шляху немає перешкоди. Тому електродвигуну від контролера дається сигнал на зниження апаратури. Позиція вимірювальної оснастки контролюватиме сигнал в ємності за допомогою постійної подачі та обробки хвильових коливань.

Ультразвукові методи контролю

Принцип дії в даному випадку багато в чому схожий з радіочастотним контролем, при якому випускається радіосигнал і за характеристиками його відображення від вимірюваного середовища фіксується ступінь наповнення виробничої ємності. Однак при ультразвуковому методі використовуються спеціальні акустичні прилади для вимірювання рівня наповненості. Тобто поширюються звукові хвилі, причому функціонування апаратури схоже і з принципами локації. Фіксація показників відбувається за часом проходження коливань дистанції від випромінювача до лінії розділу середовищ і назад до приймального пристрою. Місце розташування кордону розділу визначається з боку повітряного (газового) та цільового робочого середовища. Так працюють комбіновані високоточні апарати, але в самій групі ультразвукових рівнемірів виділяють прилади, які цілеспрямовано можуть контролювати тільки газоповітряне (незаповнене) або тільки робоче середовище.

Мікрохвильові методи

Одна з найпопулярніших безконтактних технологій вимірювання, яка об 'єднує в собі прийоми і принципи радарного електромагнітного контролю. Найбільш перспективною методикою даного класу можна назвати спрямований електромагнітний вимір, при якому коефіцієнт відображення сигналу визначається на основі надвисокочастотних імпульсів, здатних проникати до дна ємності, минаючи різного роду небажані домішки і шламові частинки. Повернений сигнал або його частина заміряється за характеристиками повноти і швидкості. З урахуванням часу його проходження визначається ступінь наповненості. Мікрохвильові методи вимірювання рівня робочих середовищ широко використовуються в технологічних завданнях контролю наповненості гранульованими і порошкоподібними матеріалами. На таких виробництвах використовують зонди з одинарним підвішуванням на тросах, в той час як стосовно рідин використовують подвійні і стрижневі несучі конструкції. В цілому оптимізація оснастки при роботі з твердими речовинами себе виправдовує з причин фізико-механічної властивості, які пов 'язані з технічними обмеженнями при організації процесів вимірювання.

Ув 'язнення

За останні роки технології розробки рівнемірів для контролю технологічних середовищ пережили кілька принципово важливих етапів розвитку, що змінили і принципи подібних вимірювань. Серед найбільш важливих з них можна назвати перехід на безконтактні способи вимірювання і розширення можливостей при роботі з агресивними рідинами. На сьогоднішній день тим же безконтактним радіочастотним або електромагнітним способом можна забезпечити точний контроль сирої нафти, кислоти, розплавленої сірки і рідкого аміаку.